摘 要：隨著我國法律法規(guī)及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，火電廠實(shí)施脫硫廢水零排放已迫在眉睫。煙氣蒸發(fā)技術(shù)工藝簡單，投資及運(yùn)行成本較低，已成為終端廢水零排放的主流方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的煙氣流體和液滴蒸發(fā)的數(shù)值模擬。歸納了液滴蒸發(fā)機(jī)理、氣液兩相流及其數(shù)值研究現(xiàn)狀，總結(jié)了煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的 CFD 數(shù)值方法和結(jié)果，為后續(xù)煙氣蒸發(fā)技術(shù)的工程實(shí)踐提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，并提出該技術(shù)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：脫硫廢水；零排放；煙氣蒸發(fā)；CFD數(shù)值模擬；低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)

0 引言

2018 年，全國全口徑發(fā)電量 6994. 0 TW·h，火電發(fā)電量 4923. 1 TW·h，占全國發(fā)電量的 70. 4%。可見我國的電源結(jié)構(gòu)仍以火電為主，但火電廠燃燒大量化石燃料并向環(huán)境中釋放大量的 SO2，不僅會(huì)對(duì)人體健康造成危害，而且還會(huì)作為酸雨、灰霾等前體物造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。石灰石-石膏濕法脫硫（FGD）工藝技術(shù)成熟，脫硫效率高，可靠性高，應(yīng)用廣泛，約占已安裝總脫硫機(jī)組容量的 90%。FGD 系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的脫硫廢水，具有腐蝕性、高鹽、高重金屬含量等特性，成分復(fù)雜，成為了火電廠最難處理的廢水之一。2015 年，國家先后發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（又稱“水十條”）、《火電廠污染防治技術(shù)政策》和《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》，要求加強(qiáng)對(duì)各類水污染的治理力度，明確提出“脫硫廢水應(yīng)經(jīng)中和、化學(xué)沉淀、絮凝、澄清等傳統(tǒng)工藝處理，鼓勵(lì)利用余熱蒸發(fā)干燥、結(jié)晶等處理工藝”。隨著國家法律法規(guī)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，火電廠實(shí)施脫硫廢水零排放項(xiàng)目已迫在眉睫。

2017 年 6 月 1 日，國務(wù)院印發(fā)《火電廠污染防治最佳可行性技術(shù)指南》，推薦采用煙氣蒸發(fā)干燥、結(jié)晶等工藝實(shí)現(xiàn)電廠脫硫廢水近零排放。

其中，煙氣蒸發(fā)技術(shù)工藝具有系統(tǒng)簡單，安全高效，不會(huì)造成二次污染，投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)，已逐漸成為主流的脫硫廢水零排放工藝。煙道中的噴嘴及其布置方式、液滴粒徑、煙氣溫度與速度等因素均會(huì)影響脫硫廢水霧化蒸發(fā)效果，需結(jié)合電廠實(shí)際情況及鍋爐工況進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)的發(fā)展，二者的交叉分支學(xué)科——計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。CFD 以計(jì)算機(jī)為工具，很好地解決了人們?cè)谘芯繌?fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)出現(xiàn)的測量精度偏差、外界干擾、人力物力不足及求解偏微分方程等復(fù)雜方程不精確等一系列問題，操作簡單快捷，結(jié)果展現(xiàn)直觀、形象，已成為工程公司設(shè)計(jì)與科研模擬不可或缺的工具。

近年來，利用 CFD 模擬煙氣蒸發(fā)工藝中液滴、煙氣流體行為的研究越來越多，大大簡化了現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作和理論分析，推動(dòng)了煙氣蒸發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展。本文歸納了液滴蒸發(fā)機(jī)理、氣液兩相流及其數(shù)值研究的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的數(shù)值方法和結(jié)果，并提出了其未來的發(fā)展方向。

1 理論基礎(chǔ)

1 .1 液滴蒸發(fā)特性

霧化過程和單液滴的蒸發(fā)特性決定了液滴群的蒸發(fā)過程，因此在煙氣蒸發(fā)技術(shù)中液滴群蒸發(fā)時(shí)的軌跡、傳熱、傳質(zhì)機(jī)理與單液滴蒸發(fā)機(jī)理相同，對(duì)液滴群的蒸發(fā)研究是建立在對(duì)單個(gè)液滴研究的基礎(chǔ)之上的。液滴在與熱的煙氣流接觸時(shí)，液滴的溫度遠(yuǎn)小于煙氣溫度，其蒸發(fā)經(jīng)歷了 2個(gè)階段：非穩(wěn)態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段。初始階段為非穩(wěn)態(tài)階段，在這一階段中，液滴從煙氣中吸收的熱量絕大部分用來升高液滴的溫度，液滴與煙氣的溫差逐漸減小，減弱了煙氣對(duì)液滴的傳熱量；同時(shí)，隨著液滴溫度的升高，液滴表面蒸發(fā)加速，蒸發(fā)過程中液滴吸收的蒸發(fā)潛熱也不斷增多，使液滴內(nèi)的溫度場分布更加均勻。當(dāng)液滴的溫度達(dá)到某一溫度值時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段，液滴的溫度不再改變，液滴從煙氣中吸收的熱量全部用來蒸發(fā)液滴，液滴在這一溫度下持續(xù)蒸發(fā)直至汽化結(jié)束。

文獻(xiàn)提出經(jīng)典液滴蒸發(fā)模型，模型假設(shè)：（1）液滴為球?qū)ΨQ；（2）忽略輻射；（3）氣體邊界層是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的；（4）煙氣和水蒸氣為理想氣體；（5）液滴溫度場均勻；（6）符合菲克（Fick）擴(kuò)散定律等。還提出單液滴周圍關(guān)于溫度及化學(xué)組分的液滴蒸發(fā)雙膜模型。文獻(xiàn)最早提出用于估算液滴蒸發(fā)過程的 D2定律，但該模型沒有恰當(dāng)?shù)乜紤]液相的傳熱傳質(zhì)，是一個(gè)純氣相模型。文獻(xiàn)考慮液滴內(nèi)部環(huán)流的影響，應(yīng)用了層流氣相方程，發(fā)展了液滴蒸發(fā)的純理論模型，并提出蒸發(fā)液滴表面上的氣相流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。文獻(xiàn)提出在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)液滴粒徑較大時(shí)，才需考慮高溫氣體對(duì)液滴蒸發(fā)的輻射影響。文獻(xiàn)根據(jù)蒸汽守恒方程和傳熱方程，推導(dǎo)出在高壓下燃油液滴的蒸發(fā)速率與溫度變化率的關(guān)系式。文獻(xiàn)提出，液滴在非穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，蒸發(fā)只取決于擴(kuò)散，為不平衡蒸發(fā)；在穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，為擴(kuò)散與傳熱相平衡的蒸發(fā)，并根據(jù)能量平衡，分別建立了 2 個(gè)階段中擴(kuò)散形式的水液滴蒸發(fā)關(guān)系式及傳熱形式的水液滴蒸發(fā)關(guān)系式。文獻(xiàn)建立了液滴的溫度關(guān)系式，分析液滴在氣流中的受力并建立了液滴運(yùn)動(dòng)方程。文獻(xiàn)對(duì)水液滴與煙氣之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)和有相對(duì)運(yùn)動(dòng) 2種工況進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，建立了 2 種工況下液滴直徑和蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系式。文獻(xiàn)計(jì)算了初始速度為零的單液滴在高溫燃?xì)庵械倪\(yùn)動(dòng)及蒸發(fā)全過程。

1.2 數(shù)值研究進(jìn)展

文獻(xiàn)數(shù)值研究了環(huán)境壓力對(duì)液滴蒸發(fā)的影響，提出了相平衡由環(huán)境壓力和液滴溫度共同決定，且環(huán)境溫度越高，環(huán)境壓力對(duì)液滴噴霧蒸發(fā)的影響越大。文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，環(huán)境壓力對(duì)液滴蒸發(fā)的影響還與氣流相對(duì)速度有關(guān)，但溫度是主要原因。文獻(xiàn)采用零維液滴模型，研究了在強(qiáng)、弱對(duì)流條件下環(huán)境壓力對(duì)液滴蒸發(fā)的影響。文獻(xiàn)使用離散多組分液滴模型，對(duì)多組分燃料噴霧的蒸發(fā)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了液滴初始溫度主要影響蒸發(fā)早期階段，后期蒸發(fā)速度與液滴初始溫度無關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)引入非平衡動(dòng)力學(xué)，考慮了液滴相變中的非平衡過程對(duì)蒸發(fā)的影響，彌補(bǔ)了液滴相變過程中隨著液滴尺寸的減小，蒸汽速度無限增大的缺陷。文獻(xiàn)認(rèn)為液滴內(nèi)部的熱量傳遞由液滴內(nèi)部熱傳導(dǎo)以及液滴與氣體相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦引起的內(nèi)部水平對(duì)流 2 部分組成，認(rèn)為氣相熱量和質(zhì)量傳遞是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。文獻(xiàn)對(duì)包含蒸發(fā)的噴霧過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，獲得了噴霧液體蒸汽濃度場場強(qiáng)云圖和等勢線圖。文獻(xiàn)建立了新的描述液滴間碰撞和聚合過程的數(shù)學(xué)模型，提高了計(jì)算效率和精度，采用歐拉-拉格朗日法對(duì)噴霧蒸發(fā)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

已有研究結(jié)合液滴蒸發(fā)特性，建立多種液滴蒸發(fā)模型，采用多種數(shù)值方法，將液滴蒸發(fā)過程更加直觀、可視化，為之后數(shù)值研究煙氣蒸發(fā)技術(shù)提供了規(guī)范和指導(dǎo)。了規(guī)范和指導(dǎo)。

1. 3 氣液兩相流的數(shù)值研究

煙氣蒸發(fā)工藝中的煙氣和脫硫廢水液滴在煙道中的流動(dòng)為氣液兩相流，目前，關(guān)于氣液兩相流的研究還不甚透徹，大多工程設(shè)計(jì)都需要通過試驗(yàn)研究、仿真模擬或?qū)嵉販y量建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。由于試驗(yàn)測試設(shè)備條件的限制，以及人力、物力不足，僅通過試驗(yàn)研究或?qū)嵉販y量很難全面準(zhǔn)確地收集到氣液兩相流的流動(dòng)特性的有用信息。因此，利用CFD 數(shù)值模擬可以獲取氣液兩相流的全部信息，再通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性并進(jìn)一步對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

氣液兩相流的數(shù)值模擬就是對(duì)氣相、液相，以及氣液兩相之間相互耦合作用的模擬，目前主要通過以下2種數(shù)值方法進(jìn)行研究。

（1）歐拉-歐拉雙流體模型：該模型將氣相作為連續(xù)介質(zhì)，液滴作為擬流體，認(rèn)為液滴與氣相是共同存在并相互滲透的連續(xù)介質(zhì)。

（2）歐拉-拉格朗日離散顆粒模型：該模型將氣相作為連續(xù)相，在歐拉坐標(biāo)系下求解納維-斯托克斯（N-S）方程，液滴作為離散相，在拉格朗日坐標(biāo)系下研究液滴的運(yùn)動(dòng)。

目前，脫硫廢水煙氣蒸發(fā)技術(shù)相關(guān)研究已開展了很多，包括液滴蒸發(fā)特性和液滴氣動(dòng)破碎特性研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，煙氣蒸發(fā)技術(shù)和氣液兩相流的理論研究發(fā)展迅速并不斷趨于成熟。

2 煙氣蒸發(fā)技術(shù)中的數(shù)值模擬

目前研究最多、最廣泛的煙氣蒸發(fā)技術(shù)為低溫?zé)煹勒舭l(fā)。該工藝如圖 1 所示，將脫硫廢水泵送至空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）與除塵器間煙道中，利用壓縮空氣將脫硫廢水通過氣液兩相流霧化噴嘴霧化成液滴，霧化液滴與煙道中 120~140 ℃煙氣接觸換熱，快速蒸發(fā)，原脫硫廢水中鹽分、重金屬等物質(zhì)與煙氣中的粉塵一起被除塵器所捕集。圖中SCR 表示選擇性催化還原技術(shù)，AH 表示空氣預(yù)熱器，ESP表示靜電除塵器，F(xiàn)GD表示脫硫吸收塔。但低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)受電廠負(fù)荷影響比較明顯。

目前火電廠負(fù)荷普遍較低，在較低負(fù)荷下空預(yù)器后煙氣溫度降低至 110 ℃，難以將廢水霧化液滴完全蒸干。為克服該技術(shù)這一缺點(diǎn)，高溫旁路蒸發(fā)技術(shù)逐漸受到關(guān)注，如圖 2 所示。該技術(shù)建立獨(dú)立的高溫旁路蒸發(fā)器，從 SCR 后空預(yù)器前抽取部分300~350 ℃熱煙氣對(duì)廢水霧化液滴進(jìn)行干燥，蒸發(fā)器出口接原煙道，蒸發(fā)產(chǎn)物鹽分等進(jìn)入除塵器被捕集。高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)根據(jù)霧化器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的不同可分為旁路蒸發(fā)塔技術(shù)和旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)。

2. 1 數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)研究表明，在大氣環(huán)境下，單組分代替液滴可以在很寬的范圍內(nèi)模擬 2組分液滴的蒸發(fā)過程，故很多研究中均以水液滴代替酸、堿、鹽溶液液滴，模擬研究煙氣蒸發(fā)工藝。液滴在流場中的流動(dòng)需遵循三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

2. 1. 1 液滴軌跡模型

根據(jù)氣液兩相流理論，流場中運(yùn)動(dòng)的顆粒受曳力、重力、虛擬質(zhì)量力、熱泳力等，對(duì)于微小液滴而言，只需考慮曳力和重力，其他作用力均可忽略。根據(jù)牛頓第二定律，液滴的動(dòng)量方程可描述為

顆粒軌跡具體求解方程可描述為

式中：z 為顆粒位置，求解方程（4）可得到顆粒的位置軌跡。

若在每個(gè)小的時(shí)間間隔內(nèi)，體積力等各項(xiàng)保持常數(shù)不變，方程（4）可簡寫為

2. 1. 2 液滴的傳熱、傳質(zhì)計(jì)算

為便于計(jì)算，可對(duì)該模擬做如下假設(shè)：

（1）液滴為對(duì)稱球形，蒸發(fā)均勻，內(nèi)部溫度場均勻，忽略液滴間的互相碰撞；

（2）煙氣速度較小，視為不可壓縮流體；

（3）對(duì)流換熱僅發(fā)生在液滴與煙氣之間，煙道壁視為“絕熱壁面”；

（4）不考慮熱輻射效應(yīng)；

（5）煙道中布置的噴嘴視為點(diǎn)源，忽略其體積對(duì)煙氣的影響；

（6）液滴周圍的環(huán)境壓力遠(yuǎn)低于液滴的臨界壓力，忽略氣體的可溶性。

（1）當(dāng)Tp（液滴瞬時(shí)溫度）＜Tvap（臨界蒸發(fā)溫度）時(shí)，液滴從煙氣中吸收的熱量全部用于升高溫度，不發(fā)生相變，液滴與煙氣之間無質(zhì)量交換。此時(shí)，液滴的對(duì)流傳熱熱平衡方程為

其中對(duì)流傳熱系數(shù) h 由 Ranz-Marshell 關(guān) 系式推導(dǎo)得出

（2）當(dāng) Tp＜Tvappbp（液滴中蒸發(fā)組分的沸點(diǎn)溫度）時(shí)，液滴從煙氣中吸收的熱量一部分用于升溫，一部分用于組分氣化，開始發(fā)生相變，煙氣與液滴之間進(jìn)行傳質(zhì)。此時(shí)，液滴的熱平衡方程為

當(dāng)液滴開始發(fā)生相變時(shí)，液滴蒸汽向煙氣中的擴(kuò)散率即液滴與氣相之間的蒸汽梯度，將影響液滴的蒸發(fā)量，可描述為

其中傳質(zhì)系數(shù) ki由舍伍德數(shù) Sh推導(dǎo)得出

（3）當(dāng) Tp≥Tpbp（液滴沸點(diǎn)溫度）時(shí)，液滴溫度保持不變，液滴吸收的熱量全部用于液滴的沸騰蒸發(fā)直至蒸發(fā)結(jié)束。此時(shí)，液滴的沸騰蒸發(fā)速率方程為

2. 1. 3 氣相控制方程

氣體連續(xù)性方程:

脫硫廢水煙氣蒸發(fā)技術(shù)的數(shù)值模擬中氣相流體常用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型，湍流方程如下。湍流動(dòng)能方程

擴(kuò)散方程

 

CFD 數(shù)值模擬主要通過對(duì)以上方程進(jìn)行離散求解和大量迭代，即可得到液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡、煙道中連續(xù)的溫度場、速度場等結(jié)果。

2. 2 物理模型與數(shù)值方法

對(duì)低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，需結(jié)合火電廠實(shí)際的煙道尺寸結(jié)構(gòu)、鍋爐負(fù)荷和煙氣情況等。以某一機(jī)組入口煙道進(jìn)行 1∶1 建模，并在合適的位置布置噴嘴，以某一負(fù)荷下實(shí)際煙氣流量、煙氣溫度、速度等設(shè)置邊界條件。

劃分網(wǎng)格是建立物理模型的重要環(huán)節(jié)，在模擬過程中要盡量劃分更高質(zhì)量的網(wǎng)格以滿足工程需要的計(jì)算精度及計(jì)算收斂性。因此在導(dǎo)出網(wǎng)格進(jìn)行 計(jì) 算 之 前 ，需 檢 查 生 成 網(wǎng) 格 的 網(wǎng) 格 扭 曲 度（EquiSize Skew），檢查合格才能進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)廢水蒸發(fā)技術(shù)的數(shù)值模擬中，劃分網(wǎng)格時(shí)，一般使用Gambit 或 ICEM CFD（網(wǎng)格生成軟件）將模型劃分為六面體網(wǎng)格或一部分為六面體網(wǎng)格，一部分為四面體網(wǎng)格。

采用 CFD 軟件求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程等相關(guān)控制方程。一般選擇適用于低速、不可壓縮流體的基于壓力的求解器，采用有限容積法對(duì)方程進(jìn)行二階迎風(fēng)離散，壓力與速度耦合采用 SIMPLE 算法（對(duì)壓力連接方程的半隱式方法），壁面設(shè)為絕熱壁面。相關(guān)控制方程殘差值一般應(yīng)小于 10-6~10-4認(rèn)為算法收斂。湍流模型廣泛應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型，也可采用標(biāo)準(zhǔn) k-ξ 模型、標(biāo)準(zhǔn) k-ζ 模型等。采用歐拉-拉格朗日離散顆粒模型（DPM），煙氣作為連續(xù)相，在歐拉坐標(biāo)系下求解；液滴作為離散相，在拉格朗日坐標(biāo)系下求解。噴嘴類型設(shè)為實(shí)心圓錐，顆粒類型為液滴，因此需選擇組分模型為組分運(yùn)輸模型。在計(jì)算中，可選擇離散相和連續(xù)相耦合計(jì)算，設(shè)定迭代步數(shù)，選擇穩(wěn)態(tài)跟蹤方式，可更準(zhǔn)確地展現(xiàn)液滴軌跡。

在對(duì)高溫旁路煙氣蒸發(fā)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，仍需對(duì)電廠實(shí)際的噴霧干燥塔、蒸發(fā)塔或煙道等蒸發(fā)器進(jìn)行 1∶1 建模，并以該電廠實(shí)際煙氣情況設(shè)置邊界條件。相關(guān)控制方程與低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)相同，求解方法、湍流模型等也基本相同。不同的是，若使用旋轉(zhuǎn)霧化器霧化脫硫廢水，F(xiàn)luent 軟件的內(nèi)嵌模型中沒有與之對(duì)應(yīng)的模型，需對(duì)旋轉(zhuǎn)霧化器重新建模，同時(shí)要改變液滴類型。

2.3 數(shù)值模擬的影響因素與討論

利用煙氣余熱對(duì)火電廠脫硫廢水進(jìn)行蒸發(fā)處理的工藝，液滴群的蒸發(fā)質(zhì)量特性、液滴的完全蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離都是制約該工藝的關(guān)鍵問題。

2. 3. 1 液滴霧化粒徑

文獻(xiàn)的模擬結(jié)果顯示，液滴的霧化粒徑越小，則廢水液滴的蒸發(fā)時(shí)間越短，完全蒸發(fā)所需距離也就越短。文獻(xiàn)通過對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出液滴的蒸發(fā)時(shí)間和蒸發(fā)距離與霧化粒徑成負(fù)線性關(guān)系。

液滴霧化粒徑越小，其達(dá)到臨界蒸發(fā)溫度所需的加熱時(shí)間越短，蒸發(fā)所需的熱量越少。根據(jù)傳熱傳質(zhì)理論，霧化粒徑越小，液滴的比表面積越大，更有利于液滴與熱煙氣進(jìn)行換熱，所以蒸發(fā)速率就越快。但由于將廢水霧化為越小的顆粒，所消耗的能耗越多，運(yùn)行成本越大。因此，在實(shí)際工程運(yùn)用中，需結(jié)合電廠允許最大液滴蒸發(fā)距離，綜合考慮成本，選定合適粒徑的噴嘴。

2. 3. 2 噴嘴霧化錐角

噴嘴霧化錐角即噴射液滴邊界的夾角。文獻(xiàn)的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)霧化錐角由 15°變化至120°時(shí)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間逐漸減小，液滴蒸發(fā)距離在霧化錐角為 90°時(shí)最小。這是因?yàn)殡S著霧化錐角的增大，液滴在煙道中的覆蓋范圍越來越大，液滴群與煙氣接觸更加充分，氣液換熱效率更高。但由于噴射角度的不同，液滴在運(yùn)動(dòng)過程中的速度也會(huì)存在差異，這使得液滴蒸發(fā)距離與霧化錐角并非成線性關(guān)系。

同時(shí)，當(dāng)霧化錐角為 15°~50°時(shí)，由于霧化錐角過小，液滴群過于密集，氣液接觸不充分，液滴在煙道中不能完全蒸干。當(dāng)霧化錐角增大至 60°~65°時(shí)，廢水在煙道中才能得以完全蒸發(fā)。當(dāng)霧化錐角為 70°~90°時(shí)，由于霧化錐角過大，發(fā)生液滴撞擊煙道壁的現(xiàn)象，從而可能引發(fā)煙道壁面結(jié)垢或腐蝕。當(dāng)霧化錐角大于 90°后，由于氣液充分接觸，液滴蒸發(fā)速率加快，液滴碰壁的可能性也逐漸下降。

2. 3. 3 鍋爐負(fù)荷 （煙氣溫度與速度）

根據(jù)文獻(xiàn)的模擬，鍋爐的負(fù)荷越小，液滴蒸發(fā)速率越小，蒸發(fā)距離越長，若煙道長度過短，則有蒸發(fā)不完全的可能。鍋爐的負(fù)荷決定了煙氣的溫度與速度。而煙氣速度與液滴初速度的改變對(duì)液滴蒸發(fā)速率的影響都較小，所以歸根結(jié)底是煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)的影響。

文獻(xiàn)對(duì)煙氣溫度單因素對(duì)液滴蒸發(fā)的影響進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示煙氣溫度越高，液滴蒸發(fā)速率越快，完全蒸發(fā)時(shí)間越短。根據(jù)對(duì)流傳熱相關(guān)原理，在較高的煙溫中，液滴與煙氣之間的溫差較大，單位時(shí)間內(nèi)液滴吸收的熱量越多，則可更快地達(dá)到沸騰溫度。還有很多學(xué)者對(duì)更多液滴蒸發(fā)影響因素進(jìn)行了模擬，如噴嘴布置位置、布置方式、噴射方向、廢水流量等。文獻(xiàn)對(duì)脫硫廢水高溫旁路蒸發(fā)技術(shù)的相關(guān)影響因素進(jìn)行了模擬。

3 課題組部分煙氣蒸發(fā)模擬結(jié)果

3. 1 霧化粒徑對(duì)液滴蒸發(fā)的影響

課題組對(duì)液滴霧化粒徑分別為 20，50，100，150µm 時(shí)液滴的蒸發(fā)時(shí)間進(jìn)行模擬研究，得到了不同霧化粒徑下粒徑分布隨時(shí)間的變化結(jié)果，如圖 3所示。

從圖中看出不同粒徑液滴在加熱過程中的粒徑分布和完全蒸干的時(shí)間，20，50，100，150 µm 分別對(duì)應(yīng)的完全蒸干的時(shí)間為 0. 38，0. 74，1. 18，1. 24 s。由此可見，液滴粒徑越大，完全蒸發(fā)時(shí)間越長，液滴蒸發(fā)所需吸收的熱量越多。

3. 2 煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)的影響

對(duì) 383~433 K 范圍內(nèi)煙氣溫度對(duì)液滴蒸發(fā)的影響進(jìn)行模擬研究，得到了不同煙溫下液滴顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。模擬結(jié)果如圖 4所示。

從圖中可以看出，煙氣溫度越高，霧化液滴的蒸發(fā)量越多。因此空預(yù)器后煙氣溫度越高，廢水液滴在煙道中的蒸發(fā)越完全。

3. 3 利用數(shù)值模擬對(duì)高溫旁路蒸發(fā)進(jìn)行優(yōu)化

對(duì)旁路蒸發(fā)器直徑分別為 2. 0，2. 2，2. 4 m，煙氣流速為 3，4，5 m/s 時(shí)，150~360 ℃時(shí)不同煙溫下氣速“雙因素”對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響進(jìn)行模擬探究，取恰好蒸干時(shí)的溫度為臨界蒸發(fā)溫度，模擬結(jié)果如圖 5所示。

從圖中可以看出，蒸發(fā)時(shí)間隨著煙氣溫度的升高，蒸發(fā)時(shí)間逐漸縮短，而且煙氣流速越高，需要蒸干的溫度越低，并且從蒸發(fā)溫度中看出，恰好蒸干時(shí)的溫度并沒有達(dá)到空預(yù)器前的 300 ℃以上。因此從節(jié)能的角度來看，可進(jìn)行空預(yù)器前后配比抽氣用以蒸發(fā)廢水。即分別抽取空預(yù)器前后的高溫?zé)煔夂偷蜏責(zé)煔膺M(jìn)行混合，控制混合后的煙氣溫度為最佳蒸發(fā)溫度。這樣可以減少空預(yù)器前高品級(jí)煙氣的抽氣量，提高對(duì)煙道余熱的利用率，從而減輕對(duì)鍋爐及空預(yù)器熱效率的影響。

4 CFD模擬發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)外學(xué)者主要從數(shù)值模擬結(jié)果反映液滴蒸發(fā)效果，煙氣蒸發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)理論與數(shù)值研究相對(duì)成熟，而該技術(shù)中存在的問題很少有研究對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。采用 CFD 數(shù)值模擬可直觀反映液滴蒸發(fā)效果，為優(yōu)化煙氣蒸發(fā)工藝，進(jìn)一步解決工況改變或操作條件影響蒸發(fā)的問題奠定基礎(chǔ)。針對(duì)現(xiàn)存煙氣蒸發(fā)技術(shù)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及 存 在 的 問 題 ，預(yù) 計(jì) 今 后 的 工 作 應(yīng) 集 中 在 以 下方面。

（1）利用模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙氣蒸發(fā)技術(shù)中設(shè)計(jì)的不合理之處，為煙氣蒸發(fā)技術(shù)改進(jìn)提供方案。

（2）利用數(shù)值研究繼續(xù)完善液滴蒸發(fā)基礎(chǔ)理論和液滴蒸發(fā)模型，為煙氣蒸發(fā)技術(shù)工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

（3）鍋爐負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)的蒸發(fā)效果影響頗大，應(yīng)研究如何在保持經(jīng)濟(jì)性的條件下提高低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)對(duì)鍋爐負(fù)荷變動(dòng)的適應(yīng)性。

（4）完善 Fluent中如旋轉(zhuǎn)霧化器的模型，使 CFD數(shù)值模擬應(yīng)用更加方便。

（5）目前國內(nèi)外學(xué)者僅從數(shù)值模擬結(jié)果反映液滴蒸發(fā)效果，加之煙氣蒸發(fā)技術(shù)僅有極少數(shù)電廠安裝使用，未做到模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，操作和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較匱乏。應(yīng)盡量將模擬與試驗(yàn)相結(jié)合，使結(jié)果更具指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語

隨著國家環(huán)保政策的推進(jìn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，脫硫廢水零排放處理逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。本文綜述了液滴、氣液兩相流的基礎(chǔ)理論及數(shù)值研究，以及脫硫廢水煙氣蒸發(fā)技術(shù)的數(shù)值研究現(xiàn)狀，分析了影響滴液蒸發(fā)能力和速率的各個(gè)因素，并提出利用 CFD 數(shù)值模擬煙氣蒸發(fā)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。低溫?zé)煹勒舭l(fā)技術(shù)降低了電廠的水電消耗，實(shí)現(xiàn)了廢水零排放，卻受鍋爐負(fù)荷波動(dòng)影響較大。分析認(rèn)為未來應(yīng)充分發(fā)揮 CFD 數(shù)值模擬優(yōu)勢，繼續(xù)發(fā)展完善液滴蒸發(fā)基礎(chǔ)理論與模型，著力解決煙道蒸發(fā)技術(shù)中存在的問題，推動(dòng)煙氣蒸發(fā)技術(shù)的工程應(yīng)用。